Бурная история нитрометана начинается в 30-х годах двадцатого века, когда немецкие механики обнаружили, что оставшиеся внутри двигателя остатки очистителя, называемого нитрометан, способствовали улучшению сгорания топлива и увеличению мощности мотора. Позднее, в 50-ых годах прошлого века, американские солдаты увезли секрет «нитро» к себе на родину и использовали нитрометан как присадку к топливу. Он стал «механическим компрессором для бедного человека».
Основной способ добавить двигателю мощности — закачать в камеру сгорания дополнительный объем кислорода путем установки на мотор механического компрессора для турбонаддува.
Роль нитрометана в моторах гоночных машин — химический «турбонаддув». В нитрогруппе этого соединения присутствует кислород (О2), который выходит из химической связи с азотом и вступает в реакцию окисления (горения). Азот (N2) слабое в химическом отношении вещество — он может быть окислителем для водорода (аммиак NH3), но кислородом окисляется сам, т.е. химическую связь не держит, и при повышении температуры сдает позиции и уходит из молекулы нитрогруппы в атмосферу, при этом освобождая атомы кислорода. Именно этот кислород из нитрометана совместно с кислородом воздуха участвует в горении углерода топлива.
Результат — больший объем кислорода сжигает больший объем топлива за один рабочий ход поршня. Больше топлива за один взрыв в камере сгорания — сильнее удар по поршню, соответственно, увеличивается мощность двигателя. Для сравнения: в чистом виде, если в одной и той же камере сгорания может сгореть 1 «кубик» метилового спирта, то с использованием нитрометана сгорит 2,5 «кубика» за тоже время. И все же, почему в моторах большого объема для получения большей мощности выгоднее использовать не бензин, а нитрометан?
Содержание кислорода в нитрометане позволяет ему гореть с много меньшим количеством атмосферного воздуха по сравнению с углеводородами бензина:
4CH3NO2 + 3O2 → 4CO2 + 6H2O + 2N2
Примерно 14,7 кг воздуха необходимо для сжигания килограмма бензина, но только 1,7 кг воздуха приходится на сжигание на один килограмм нитрометана. Так как цилиндр двигателя может содержать только ограниченное количество воздуха при каждом такте, в 8,7 раз больше нитрометана по сравнению с бензином может быть сожжено в один такт. Нитрометан,однако, имеет меньшую плотность энергии: бензин выделяет около 42–44 МДж/кг в то время как, нитрометан даёт 11,3 МДж/кг. Этот расчёт показывает, что нитрометан производит примерно в 2,3 раза больше мощности по сравнению с обычным топливом.
Нитрометан также может быть использован как монопропеллант, т. е. топливо, способное гореть без добавки кислорода, ниже уравнение этой реакции:
4CH3NO2 → 4CO + 4H2O + 2H2 + 2N2
Нитрометан имеет ламинарную скорость горения 0,5 м/с (немного выше чем у бензина), таким образом делая его пригодным для высокоскоростных двигателей. Кроме того, температура пламени несколько выше — 2400 °C. Высокая удельная теплота парообразования (0,56 МДж/кг) вместе с высокой скоростью течения приводит к сильному охлаждению подходящего топлива (примерно вдвое больше, чем у метанола), в результате получаются довольно низкие температуры.
Нитрометан часто используют в богатых воздушно-топливных смесях, поскольку он даёт энергию даже при отсутствии атмосферного кислорода. При использовании богатой воздушно-топливной смеси, часть продуктов сгорания — водород и монооксид углерода. Эти газы часто воспламеняются, иногда впечатляюще, когда очень богатые смеси ещё горящего топлива покидают выхлопные трубы. Очень богатые смеси необходимы, чтобы снизить температуру камеры сгорания, для управления предварительным зажиганием и последующей детонацией. Рабочие детали зависят от свойства смеси и характеристики двигателя.